T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü Yüzeysel Temeller Öğretim Yılı Güz Dönemi Doç. Dr. Sadık ÖZTOPRAK Mayne et al. (2009) 2 ÖZTOPRAK,

2 Zemin İncelemesi Sondaj Örselenmiş Numune Örselenmemiş Numune Numune Alma Arazi Deneyleri SPT CPT Pressyometre Arazi Vane Karot Numune Plaka Yükleme Jeofizik Yönt. 3 Teknolojik gelişmeler ile birlikte arazi deneylerinin sahada uygulanması iki türlü olabilmektedir ; Geleneksel Yöntemler ve Numune Alma Modern Yöntemler 4 Geçmişte Mayne et al. (2009) Günümüzde ÖZTOPRAK,

3 Ölçülen parametreler KUM KİL 5 Mayne et al. (2009) Arazi deneylerinin istenen parametreler için uygunluğu şu şekilde özetlenebilir; 6 Lunne, Robertson & Powell, 1997 ÖZTOPRAK,

4 Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik? Zemin Grubu (A) (B) (C) (D) Zemin Grubu Sınıfı 1 Masif volkanik kayaçlar ve ayrışmış sağlam metamorfik kayaçlar,sert çimentolu tortul kayaçlar... 2 Çok sıkı kum, çakıl... 3 Sert kil ve siltli, kil... 1 Tüf ve Aglomera gibi gevşek volkanik kayaçlar, süreksizlik düzlemleri bulunan ayrışmış çimentolu tortul kayaçlar... 2 Sıkı kum, çakıl... 3 Çok Katı kil ve siltli, kil... 1 Yumuşak süreksizlik düzlemleri bulunan çok ayrışmış metamorfik kayaçlar, çimentolu tortul kayaçlar... 2 Orta sıkı kum, çakıl... 3 Katı kil ve siltli, kil... 1 Yer altı su seviyesinin yüksek olduğu yumuşak, kalın alüvyon tabakaları... 2 Gevşek kum... 3 Yumuşak kil ve siltli, kil... Stand. Penetr. (N) >50 > <10 <8 Relatif Sıkılık (%) <35 Serbest basınç direnci (kpa) >1000 > < <100 Kayma dalgası hızı (m/s) >1000 >700 > <200 <200 <200 7 SPT Dinamik deneydir. Kumlar için daha uygundur kg ağırlığındaki bir tokmağın; 76 cm. yükseklikten serbest düşürülmesi ile numune alıcının zemine toplam 45 cm. sokulması ile yapılan bir deneydir. Her 15 cm. penetrasyon için gerekli darbe sayısı belirlenir. İlk 15 cm. lik giriş deney yapılan seviyede örselenmiş zemin tabakasına ait olduğundan dikkate alınmaz. Son 30 cm. lik giriş için gerekli toplam vuruş sayısı, SPT N olarak belirlenir. 8 8 ÖZTOPRAK,

5 SPT Makara Makara 25 mm. lik halat Halka Tokmak (63.5 kg) Kılavuz Çubuğu 76 cm Çakma Başlığı Tij Giriş (cm) N (adet) SPT N = SPT N 1,60 = C E x C R x C S x C B x C N x SPT N Düzeltilmiş SPT değeri C E = C R = C S = C B = C N = Jeolojik yük düzeltmesi C E C E C E ÖZTOPRAK,

6 SPT C R C R C S C S C B C B 11 SPT C N Jeolojik yük düzeltmesi Özellikle kohezyonsuz zeminlerde gerilme şekil değiştirme davranışına etki eden faktör düşey efektif gerilmedir. Bu tip zeminlerin penetrasyon direnci çevre basıncına bağlıdır. Aynı zeminde daha derinde yapılan SPT daha büyük N değeri verir. Farklı derinliklerde elde edilen N değerlerini karşılaştırmak için, düşey efektif gerilme ( v ) genelde 100 kpa (1kg/cm 2 ) değerine göre normalize edilir. Referans Düzeltme Faktörü, C N Zemin Tipi v 2/ ) Orta sıkı, ince kumlar Skempton (1986) 3/ ) Normal konsolide sıkı kaba kumlar kpa 1.7/ ) Aşırı konsolide ince kumlar Liao ve Whitman (1986) 1/0.01 ) 0.5 Tüm Zeminler kpa Seed (1976) log 0.01 ) Tüm Zeminler kpa Peck ve diğ. (1974) 0.77 log 2000/ ) Tüm Zeminler kpa Teng( 1962) 50/ ) Tüm Zeminler kpa 12 ÖZTOPRAK,

7 SPT ÖRNEK: 11 m. derinlikte sıkı kum zeminde halka tokmakve kılıflı alıcı ile yapılan deneyde N=23 elde edilmiştir. Kum zeminin bha. = 1.92 t/m 3, sondaj çapı 20 cm. ve tij boyu 5 m. dir. Ayrıca arazide YASS olmadığı ve E r = % 55 kabul edilmektedir. Buna göre N 1,60 değeri kaçtır? ÇÖZÜM: = ( Tij boyu 5 m., sf. 13) ? 11*19.2=211.2 kpa ( Astarlı, sıkı kum tabaka, sf.13) ( Delik çapı = 200 mm., sf.13) 1/0.01 ) 0.5 [kpa] 0.69 N 1,60 = C E x C R x C S x C B x C N x SPT N N 1,60 = x 0.85 x 0.80 x 1.15 x 0.69 x 23 N 1,60 = SPT N 55 Kumlu zeminler için Kulhawy and Mayne (1990) z: kpa ; pa : Atmosferik basınç (100 kpa) Cubrinovski & Ishiara (1999) z: kpa ; D50: mm Drenajsız kayma muk., Su (kn/m2) Stroud (1974) Sivrikaya & Toğrol (2002) I p <20 (6 7)N 6.82N 60 20<I p <30 (4 5)N 4.93N 60 I p >30 4.2N 6.18N 60 Terzaghi and Peck (1967) 14 Hara et al. (1974) ÖZTOPRAK,

8 SPT Kulhawy and Mayne (1990) Hacimsel sıkışma katsayısı; Stroud (1976) 1 f= arasındadır. Genelde 0.42 alınır. f m v = m 2 /MPa 15 Plastisite Indisi, PI (%) SPT SPT N Killer Kıvam Su (kn/m2) 0 2 Çok yumuşak < Yumuşak Orta katı Katı Çok katı >30 Sert >200 SPT N 0 4 Sıkılık Çok gevşek Kumlar I D (%) ( ) 0 15 < Gevşek Orta sıkı Sıkı >50 Çok sıkı >41 Terzaghi (1943) 16 ÖZTOPRAK,

9 CPT, SCPTu Yatayla 60 açı yapan ve 10 cm 2 kesit alana sahip konik başlığın sabit bir hızla zemine batırılmasıdır. V batma = mm/sn arasındadır. Özellikle yumuşak kil, siltli kil ile gevşek ve orta sıkı kum zeminlerde uygundur. Çakıl ve sert zeminlerde tercih edilmemelidir. Bu deney ile uç direnci (q c );çevre sürtünmesi (q s ) ve boşluk suyu basıncı (u) ölçülmektedir. Ayrıca özel bir apart ile cihaz sismik alıcı haline (SCPT) çevrilebilir ve zeminin kayma dalgası hızı (V s ) ölçülebilir. Mekanik CPT (Numune Alıcılı), (CPT) 17 CPT, SCPTu Piezeometre (CPTu) Sismik Piezometre(SCPTu) 18 ÖZTOPRAK,

10 CPT, SCPTu 19 CPT, SCPTu Sismik Piezometre, SCPTu Uç Direnci, q c, (MPa) Sürtünme Direnci, q s, (kpa) Boşluk Suyu basıncı, u, (MPa) Zaman, t50 (san) Kayma Dalgası HızıV s, (m/s) 20 ÖZTOPRAK,

11 CPT Deney Sonuçlarının kullanımı (Zemin Sınıflandırması) Robertson et al. (1986) Uç Direnci q c (bar) Sürtünme Oranı (%) 1. Hassas İnce daneli zeminler 2. Organik 3. Killer 4. Siltli kil kil 5. Killi silt siltli kil 6. Kumlu silt killi silt 7. Siltli kum kumlu silt 8. Kum Siltli kum 9. Kum 10. Çakıllı kum kum 11. Çok katı ince daneli zemin 12. Kum killi kum 21 CPT CPTu Malzeme indeksi, Ic Q = Net uç Direnci/Efektif Gerilme B q = Boşluk suyu Basıncı değişimi/net uç Direnci F= (100*Sürtünme Direnci) /Net uç Direnci CPT CPTu 22 ÖZTOPRAK,

12 CPT CPT korelasyonları Temiz kumlar (Mayne 2006) Killer için S u qc po cu N k (N k konik uç faktörüdür ve 15.7 olarak seçilebilir) (p o = jeolojik gerilmedir ve kpa olarak kulanılmalıdır) Kumlu silt için 26.6 q c (q c MPa olarak kullanılmalı) Kum için 29.0 q c (q c MPa olarak kullanılmalı) Kulhawy and Mayne (1990) 23 Schmertmann (1970) CPT CPT korelasyonları (Devam) Relatif Sıkılık, D r, (%) Lancelotta, (1983) D R (%) q c, v [t/m 2 ] Ön konsolidasyon Basıncı, P c, (MPa) Killer için; Mayne ve Kemper, (1988) ; q c, P c [MPa] Sıkışma Modülü, M Mayne ve Kulhawy, (1990) 24 ÖZTOPRAK,

13 CPT CPT korelasyonları (Devam) Kayma Dalgası Hızı, V s, (m/s) Araştırmacı Zemin Tipi Formül, V s (m/s) Sykora ve Stokoe (1983) Kum 1.7*q c +134 Sykora ve Stokoe (1983) Kum 109.7*q 0.29 c Lo Presti ve Lai (1989) Kum 277*q 0.29 c * 0.27 v Mayne ve Rix (1995) Kil 1.75*q c 25 Presyometre Kendinden delmeli presyometre (SBP) Cavity pressure, p (kpa) Cavity strain, e (%) 26 ÖZTOPRAK,

14 Presyometre (Menard Tipi) Arazide yapılan deneyler ile zemine ait mukavemet parametreleri ve indeks özelliklerinin belirlenmesinin yanında gerilme deformasyon davranışının incelenmesi de son derece önemlidir. Presyometre ile zemine ait yatay doğrultuda gerilme deformasyon eğrisi elde edilebilir yılında Fransız Louis Menard tarafından geliştirilmiştir. Ayrıca sıkışabilirlik ve kayma direnicinin yerinde ölçümüne olanak sağlar. Zemin içinde açılmış sondaj çukuruna, alt ve üstünde koruma başlığı olan elastik membran istenilen derinliğe bırakılır. Pnömatik bir kaynak yardımı ile membrana radyal olarak uniform basınç verilir. Membranın hacim değişimi ve uygulanan gerilmeden zemin özellikleri belirlenir. 27 Presyometre (Menard Tipi) Önceden delmeli presyometre (PBP) 28 ÖZTOPRAK,

15 Presyometre Baguelin et al. (1978) OH = Yanal toplam gerilme 29 Plaka Yükleme Deneyi Arazide gerilme deformasyon özelliklerini belirlemeye yardımcı bir deneydir. Dairesel veya kare şeklindeki bir plaka yüklenerek zeminde meydana gelen oturmalar gözlenir. Bu deneyin uygulanabilmesi için dane çapının palaka çapının 1/10 ndan küçük olması gerekir. Deneyde yüklenen plaka boyutları ile gerçek temel boyutları arasındaki oran çok büyük olduğundan, elde edilen parametrelerin kullanımında dikkatli olmak gerekir. Deney sonucunda zemine ait Taşıma gücü, Yatak Katsayısı ve Elastisite Modülü gibi özellikler belirlenebilir 30 ÖZTOPRAK,

16 Plaka Yükleme Deneyi Zemin Emniyet Gerilmesi Deney sonucu elde edilen gerilme deformasyon eğrisinden zemin emniyet gerilmesi şu şekilde tayin edilebilir ; 1. Eğride 10 mm. deformasyona kadar herhangi bir kırık yoksa; 10 mm. oturmaya karşı gelen gerilme güvenik sayısına bölünerek (G s = 2) zemin emniyet gerilmesi elde edilir. 2. Eğride 10 mm. deformasyona gelmeden bir kırılma noktası gözleniyorsa bu oturma seviyesine karşı gelen gerilme güvenik sayısına bölünerek(g s = 2) zemin emniyet gerilmesi elde edilir. Elastisite Modülü ΔP :Gerilme-Deformasyon eğrisinde iki nokta arası basınç farkı ΔS :Gerilme-Deformasyon eğrisinde iki nokta arası oturma farkı D : Plaka genişliği (cm) D : Plaka genişliği q : Plaka üzerindeki gerilme μ : Poisson oranı δ : Plakanın oturma miktarı 31 Plaka Yükleme Deneyi Zemin Emniyet Gerilmesi ve Temel Oturması q Yatak Katsayısı 1 Vesic (1961) E : Elasitiste Modülü B : Plaka çapı veya genişliği μ : Poisson oranı 32 (Teodoru,2009) ÖZTOPRAK,

17 Jeofizik Deneyler Sismik Deneyler 1. MASW (Multi channel Analysis of Surface Waves) 2. PS logging (Suspension logging for P & S waves) 3. Karşıt kuyu sismiği (Crosshole seismic) 4. Aşağı kuyu sismiği (Downhole seismic) Manyetik alan deneyi (Georadar) Rezistivite Deneyi 33 Jeofizik Deneyler Sismik Deneyler ile bulunan zemin özellikleri Kayma Modülü G= ( g)*v 2 s Sıkışma Modülü M = ( g)*v 2 p Poisson Modülü μ = [0.5*(V p /V S ) 2 1]/[(V p /V S ) 2 1] Zemin Hakim Periyodu T 0 = 4*H/ V s Bulk Modülü B = ( g)*(v 2 p 4/3*V S2 ) Elastisite Modülü E = [2*( g)*v 2 s ]*(1+ μ) V s ve V p sırasıyla kayma ve basınç dalgası hızı, g yerçekimi ivmesi ve zeminin birim hacim ağırlığı, H tabaka kalınlığıdır. 34 ÖZTOPRAK,

18 Jeofizik Deneyler Sondaj Kuyusu 58 Kireç Taşı Siltli Kil Hareket Kiltaşı Mayne (2001) ve Mayne et al. (2009) Birim hacim ağırlığı 35 Jeofizik Deneyler Örnek : Zemin Hakim Periyodunun Hesaplanması Kireç Taşı Siltli Kil Hareket Kiltaşı T 0 = 4*H/ V s T 0 = 4*(H 1 /V s1 +H 2 /V s2 ) T 0 = 4*(32/ /570) T 0 = s 36 ÖZTOPRAK,

19 Temel tipleri Temeller Yüzeysel Temeller Derin Temeller Tekil. Şerit. Radye. 37 Yüzeysel Temel tipleri Tekil Temel Radye Temel Şerit Temel 38 ÖZTOPRAK,

20 Temel Sisteminin Seçimi Emniyetli temel tasarımının yapılabilmesi için iki tür analiz yapılarak yeterli güvenlik sayılarının elde edilmesi gerekir 1. Taşıma Gücü : Zeminin kayma göçmesine karşı 2. İzin verilebilir oturmalar 39 Taşıma Gücü Genel göçme (Sağlam zemin ve kayalarda) Yerel göçme (Ara durumlarda) Zımbalama (Yumuşak zeminlerde) 40 ÖZTOPRAK,

21 Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü Genellikle sadece kayma göçmesi analizi gereklidir. Yerel ve zımbalama göçmesi ise oturma analizi ile tahmin edilebilir. Yüzeysel temellerde taşıma gücüne göre göçme analizi yapılması gerekli olsa da; bu tip temellerde oturma göçmeleri daha sık gözlemlenmektedir. Bu nedenle pratikte, yüzeysel temellerin oturma analizi daha önemlidir. 41 Taşıma Gücü Teorileri Rankine Kamaları İle Hesap 42 ÖZTOPRAK,

22 Taşıma Gücü Teorileri Rankine Kamaları İle Hesap 43 Taşıma Gücü Teorileri Prandtl Plastk Denge Teorisi 44 ÖZTOPRAK,

23 Taşıma Gücü Teorileri Terzaghi nin (1943 ) taşıma gücü teorisi; Düşey Denge Yazılırsa ; B ) Taşıma Gücü Teorileri Meyerhof (1963 ) taşıma gücü teorisi; Düşey Denge Yazılırsa ; Qu :Temele gelen yük W : Aktif kamanın ağırlığı Ppv : JF ve FE düzlemlerine etkiyen pasif kuvvetin düşey bileşeni Üstteki denklemler birbirine eşitlenirse ; 46 ÖZTOPRAK,

24 Taşıma Gücü Teorileri Terzaghi nin teorisindeki kabuller 47 Taşıma Gücü Teorileri Terzaghi nin teorisindeki kabuller Konsolidasyon oturmaları meydana gelmez. Temel zemine göre çok büyük rijitliğe sahiptir. Temel alt kotundan yüzeye kadar olan zeminin kayma mukavemeti sıfırdır; ancak temeli döndüren kuvvetlere karşı bir sürşarj etkisi vardır. Temele üst yapıdan gelen yük düşey doğrultuda temel ağırlık merkezine etkiyen basınç kuvvetidir. Temele etkiyen moment "0 " dır. 48 ÖZTOPRAK,

25 Taşıma gücünün değişik yaklaşımlarla hesaplanması Terzaghi (1943) Şekil Faktörü şerit daire kare 49 Taşıma gücünün değişik yaklaşımlarla hesaplanması Meyerhof (1963) Düşey Yükleme Eğimli Yükleme 50 ÖZTOPRAK,

26 Taşıma gücünün değişik yaklaşımlarla hesaplanması Meyerhof (1963) Faktör Formül Şekil Derinlik Eğim 51 Taşıma gücünün değişik yaklaşımlarla hesaplanması Hansen (1970) Vesic (1973) Vesic (1975) Hansen (1970) Vesic (1973, 1975) 52 ÖZTOPRAK,

27 Taşıma gücünün değişik yaklaşımlarla hesaplanması Hansen (1970) Vesic (1973) Vesic (1975) Şekil Faktörü Derinlik Faktörü 53 Yeraltı Su Seviyesinin Taşıma Gücüne Etkisi Durum 1 Durum 2 Durum 3 Durum 4 Durum 1 1 = 1 ' 2 = 2 ' Durum 2 1 = 1 2 = 2 ' Durum 3 Durum 4 1 = 1 2 = 2 ' 1 = 1 2 = 2 54 ÖZTOPRAK,

28 Tabakalı zeminlerde taşıma gücü Tabakalı zeminlerde birim hacim ağırlık, kayma mukavemeti açısı ve kohezyon gibi zemin parametreleri derinlik boyunca değişmektedir. Yüzeydeki kayma göçmeleri birden fazla tabakada görülebilir. Yüzeyde gevşek veya yumşak çok kalın bir zewmin ; altında sıkı veya sert zemin şeklinde bir zemin profili mevcutsa. Göçme düzlemi tamamen üstteki zayıf zemin içinde kalacaktır; Bu nedenle sınır taşıma gücü değeri bu tabakaya göre belirlenmelidir. Eğer üstte bulunan zayıf zemin tabakanın kalınlığı temel genişliği (B) nden küçükse; üst tabakada zımbalama meydana gelecektir. Bununla birlikte alt tabakadaki zeminde de kayma göçmesi görülecektir. Yüzeydeki tabaka kalınlığı oldukça büyükse; göçme mekanizması sadece üst tabakada kayma göçmesi şeklinde olacaktır. 55 Tabakalı zeminlerde taşıma gücü Meyerhof and Hanna (1978),Meyerhof(1974) 56 ÖZTOPRAK,

29 Tabakalı zeminlerde taşıma gücü Yüzeyde mukavemeti yüksek bir zeminin altında zayıf zemin bulunması durmunda sınır taşıma gücü denklemi şu şekilde modifiye edilebilir : Alttaki zayıf zeminin taşıma gücü; Üst tabakadaki mukavemeti yüksek zeminin taşıma gücü; : s : Ü ş Ü ğ 1 : Ü ç 2 : ç 57 Tabakalı zeminlerde taşıma gücü Meyerhof and Hanna (1978) 58 ÖZTOPRAK,

30 Şevlerdeki temellerde taşıma gücü Meyerhof (1957) 59 Şevlerdeki temellerde taşıma gücü Meyerhof (1957) 60 ÖZTOPRAK,

31 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Tek yönlü eksantrisite Temeller; pratikte karşılaşılan birçok durumda, kolonlardan aktarılan eksenel yük ile birlikte eğilme momentine maruz kalırlar. Bu durumda temel zemini altında, bina yükünden dolayı oluşan gerilme dağılımı uniform olmamaktadır. Faydalı temel genişliği : Faydalı temel uzunluğu : Eksantirik temellerde taşıma gücü: 61 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Temellerde çeşitli eksantrisiteler 62 ÖZTOPRAK,

32 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Temellerde çeşitli eksantrisiteler 63 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Tek yönlü eksantrisite 64 ÖZTOPRAK,

33 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Tek yönlü eksantrisite a) Çekirdeğin içinde b)çekirdeğin üzerinde c) Çekirdeğin dışında 65 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü Tek yönlü eksantrisite Bu denklemlere göre, eksantirisite (e), B/6 olursa, qmin 0 olur. e > B/6 ise qmin negatif olmalıdır, bunun anlamı zeminin çekme gerilmesi alması demektir. Ancak zeminde çekme gerilmesi olmaz. Bu durumda sadece zemin ile temel arasındaki temas kaybolur. Eksantirik yüklü temeller, eksenel yüklü temellere göre aynı şartlarda daha az yük taşırlar. Bu nedenle kolonları temel merkezine yerleştirerek; zeminde üniform gerilme dağılışı sağlamak daha faydalıdır. 66 ÖZTOPRAK,

34 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü İki yönlü eksantrisite Temeller, tek yönde olduğu gibi aşağıdaki şekillerde verildiği gibi düşey yüke ek olarak x ve y eksenlerinde Mx ve My momentlerine maruz kalabilir. Bu durumda tek eksenli eksantiristede de olduğu gibi; x = eb ve y = el uzunlukları ile eşdeğer Q yüküne çevrilir. 67 Eksantrik yüklü temellerin taşıma gücü İki yönlü eksantrisite İki yönde eksantrikliğe maruz bir dikdörtgen temelde; eksantirisitenin çekirdek içinde kalması durumunda gerilmeler aşağıdaki gibi hesaplanır. 68 ÖZTOPRAK,